基于DSP和Ethernet的实时信号频谱监测系统

2009年 第2期

仪表技术与传感器

Instrum ent T echn i que and Sensor 2009 N o 2

收稿日期:2007-12-27 修回日期:2008-11-20

基于DSP 和Ethernet 的实时信号频谱监测系统

王淦平1

,于凤芹1

,王灿忠2

,李剑鸿

2

(1.江南大学通信与控制工程学院,江苏无锡 214122;2.无锡路通电子技术有限公司,江苏无锡 214072)

摘要:设计并实现一种基于DSP 和E the rnet 的实时信号频谱监测系统,通过S3C4510B ARM 芯片构架的以太网通信系统对大数量、分散的网络通道在远端PC 上进行实时信号监测。系统利用高速ADC 进行直接采样,基于FPGA 实现高速数据缓存和系统的逻辑控制,采用TM S320C6713B D SP 芯片对采集的大容量数据进行频谱处理。试验证明该系统在HFC 反向通道的维护中得到很好的应用。

关键词:DSP ;E t hernet ;频谱监测;ARM;A DC ;FPGA;HFC ;反向通道

中图分类号:TN274 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2009)02-0075-05

R eal tim e Signal Spectru m M onitori ng Syste m

B ased on DSP and E thernet N et work

W ANG G an pi ng 1,YU F eng qin 1,W ANG Can zhong 2,L I Jian hong 2

(1.S choo l of Co mmun ication s and Con tro l Engineeri n g ,South ern Yangtze Un iversity ,W uxi 214122,Ch i na ;

2.W ux i Lu tong E l ec tron ic Technol ogy Co .,L td ,W ux i 214072,Ch ina)

Abstract :D esi gn and i m ple m entation o f rea l ti m e signa lm onitor i ng syste m based on D SP and E t herne t net wo rk structure w as proposed .T hrough S3C4510B ARM ch i p fram e w ork Ethernet communicati ons syste m,g rea t quantity and d i str i buted net wo rks channe l were real ti m e mon it o red in remo te PC .

In t he g i ven syste m,

h i gh speed ADC w as adopted to stra i ght sa m pli ng ,

TM S320C6713B D SP w as utilized to ana l y ze the real ti m e spectru m of large a m ount data i n ti m e do m a i n and FPGA was used for h i gh speed cach i ng as w ell as l og ical contro l of the sy stem .Exper i m enta l resu lts demonstra te t hat the g iven syste m has received perfect perfor m ance i n m a i ntenance o f rev erse channel o fHFC .

K ey word s :D SP ;E t herne t ;spectru m mon i to ri ng ;ARM;A DC ;FPGA;HFC ;reverse channe l 0 引言

随着有线电视用户对新业务需求的增加以及其他行业快速发展的竞争压力,传统的有线电视网络由广播式的同轴电缆组成的模拟电视分配网,发展成为现在的交互式的光纤同轴混合(HFC)网。HFC 网络的测试和维护中大量使用频谱分析仪,而传统的扫描式频谱分析仪以一定步长扫描频段,通常会漏掉在当前扫描波段之外发生的重要的瞬时事件。因此,传统的扫频仪无力对间隙性或突发的干扰这样的异步事件进行百分之百的捕获,为了捕获和分析这些异步事件,需要实时频谱分析仪[1]。实时频谱分析仪具有相应的触发能力,以捕获这些事件;同时具有真正的时间相关多域分析能力,以诊断这些事件。

然而,对于某个区域内的大量HFC 反向通道的维护,实时频谱分析仪就显的力不从心。设计并实现一种基于数字信号处理器和E t hernet 的实时信号频谱监测系统,不仅能触发射频信号,把信号无缝地捕获到内存中,利用DSP 的高速数据处理能力,在多个域中分析信号,可靠地检测和检定随时间变化的R F 信号;还可以通过以太网络对某个区域内的所有HFC 反向通道进行实时的信号频谱监测,及时发现问题和分析问题。同时,监测系统还可以通过上位机软件对H FC 反向信号的历史数据进行进一步的统计分析,分析反向信号的历史状况,统计信

号频谱的可用度,对反向信号频谱进行长期趋势和可用性检测。1 系统设计

实时信号频谱监测系统由信号调理、A /D 采样、FPGA 逻辑控制、DSP 数据处理和ARM 数据通信等部分组成,系统框图如图1所示。

1 1 信号调理和A /D 采样

现代频谱分析仪通常将超外差式和快速傅立叶变换(FFT )结合起来,能测量高达几十GH z 的输入信号,并且有良好的动态范围。但是,超外差式的工作原理(利用频谱搬移的原理,通过变频形式把信号变换到中频进行分析)为信号的测量引入更多的模拟器件,带来更多的干扰源。为了减少设计难度,简化系统的中频前端的设计,同时由于H FC 反向通道的频率范围为5~65M H z ,所以,设计选用合适的数模转换器(ADC )对60MH z 宽的信道进行直接采样。根据奈奎斯特采样定理,用2f (或大于2f )的均匀采样的离散样品来代替一个频带有限信号f ,是不丢失任何信息的。因此,选用采样频率大于120MH z 的ADC 就满足设计需要,根据市场供货情况和性价比分析,选用AD I 公司低功耗系列的产品A D80141(11b it 、140M SPS)。该产品采用1 8V 单电源,在最大采样频率下的功耗为400m W,在70MH z 输入频率条件下能保持优良的S NR (65 6dBFS )和SFDR (85dBc)。AD 80141含有内置基准电压源和采样保持,2

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图1 实时信号频谱监测系统方框图

个并行低压差分信号(LVD S)输出模式(AN SI -644和I EEE 1596.3减小链接范围)容易与现场可编程门阵列(FPGA )连接以及双数据速率模式(DDR )将需要的并行输出数据印制线数量减半。ADC 连接框图如图2

所示。

图2 AD80141连接框图

信号调理部分是整个监测系统的前端,介于被测信号和A /D 转换之间,其主要是为后续的ADC 提供足够幅度的被测信号(1V P-P ),而引入的噪声和非线性又要足够低,以满足系统测量的要求。设计采用内置基准电压源,输入信号的动态范围为 0 5V,因此要求A DC 的相对底部噪声因小于1000mV /211=0 5mV.为了实现较高信噪比A DC 的采样性能,提高信号的可靠性和数据的精度,保证A /D 采样的动态范围,设计信号调理部分对来自多路开关的一路R F 信号进行抗混叠滤波、电调衰减、一级放大、二级放大(单端信号转差动信号)和低通滤波。

设计多路信号输入是为了便于大数量的HFC 反向通道的信号监测,同时考虑到系统的实时处理要求及后续D SP 的数据处理速度,系统设计至多为16路信号输入。监测系统的动态范围要求为50dB ,则要求器件的隔离大于50d B,非线性失真低于-50dB ,再留10dB 裕量,故要求器件的隔离大于60dB ,非线性失真低于-60d B.普通多路开关难以在5~65MH z 频率范围内工作时达到60dB 的信号隔离度以及良好的非线性指标,故要选用插入损耗很低的单刀双掷(SPDT )射频开关进行级联。使用15个这样的SPDT 开关组成16选1的多路信号选择

电路,控制信号连接到FPGA,由FPGA 控制。这里对滤波器的要求不太苛刻,故切换开关后直接用5~65MH z 插件式带通滤波器,差分放大器的输出与ADC 的输入之间直接使用RC 滤波器。

1 2 FPGA 逻辑控制

现场可编程门阵列(F i e l d Progra mm able G ate A rray ,FPGA )在系统中用作胶合逻辑(G l ue L og ic),既实现系统的逻辑控制,并利用其内部的RAM 实现先进先出(F i rst i n F irst ou t ,F IFO )存储功能[2],构架ADC 与DSP 的高速数据缓存,使得板卡设计结构简单并减少硬件板卡的干扰。为了保证A DC 工作的稳定性和转换精度,设计ADC 总是一直在进行数据输出,因此输出无高阻状态。将ADC 直接和D SP 连接,当采样频率很高的时候,这种方法不但会占用DSP 的大量带宽,也会导致低的数据传输效率和大的数据丢失率。F IFO 恰好架起了D SP 与ADC 之间的一座桥梁,F IFO 能缓存大量的数据,进一步提高了ADC 和DSP 的数据传输效率。同时由于DSP 访问外部存储器器件必须通过外部存储器接口E M IF (Externa lM e mo ry Interface),F IFO 提供有与E M IF 无缝连接。与使用双口RA M 作为数据缓存相比,F IFO 存储器由于没有地址总线,不会产生地址冲突,接口电路更为简洁且不占用系统地址资源[3]。F IFO 是顺序读取数据,当F IFO 存储器满时,便可向D SP 发出中断申请,系统将启动DSP 的ED M A (Enhanced D irect M e mo ry A ccess)通道传输,将F I FO 中的数据读入内部RAM 中,在F I FO 输出数据的同时,也将ADC 转换的数据写入了F IFO 中,从而达到了同时读写的目的。

FPGA 实现F I FO 的功能模块分为2个独立的时钟块:写时钟和读时钟,存储介质为FPGA 内部的一块双口RAM,可以同时进行读写操作。根据系统的要求和FPGA 的RAM 大小,设计实现2块F IFO (F IFO _A 和F I FO _B),扩展F IFO 的存储深度,提高系统的高速、大数据量的缓存能力,加强系统的实时处理的能力。另外,每一路信号被ADC 数字化的数据为11位,在FPGA 内可以很便捷的在每一帧数据的各样点数据(11位)加上5位的通道号,以便区分不同通道的信号。FPGA 和D SP 的硬件接口图如图3所示,其中FF (满标志)作为DSP 的中断信号,告诉DSP 有效的一帧数据何时可以读取。

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图3 D S P 和FPGA 的硬件接口图

1 3 DSP 数据处理

DSP 数据处理部分的主要功能是实现数字信号的FFT 、互谱、平均及时域数据的加窗(为了减少FFT 处理过程中由于数据截断引起的频谱泄漏)等处理,并将结果数据缓冲,通过H P I 接口传送至AR M 数据通信。

系统要求进行高速、实时数字信号处理,需要进行高速、大规模的FFT 运算,由浮点运算提供精密和动态范围的高性能要求。TM S320C6713B D SP 作为实时信号处理的核心,它的时钟频率高达300MH z ,浮点运算速度高达1800M FLO PS(百万条浮点操作)。TM S320C6713B DSP 的主要特点是采用了具有8个功能单元的先进VL I W CPU 的体系结构,多个功能单元并行工作;TM S320C6713B DSP 采用了2级Cache(高速缓冲存储器)结构,片上共有264k 8位存储器,允许设置不同大小的高速缓冲存储器和SRAM [4]。该芯片运算精度高,可以满足系统需要,数据不会溢出,有利于嵌入式软件编程的稳定性。C67系列D SP 的E M IF 具有很强的接口能力,可以访问32bit 、16bit 、8bit 宽度的存储器,支持L ittle endian (小字节序)和B i g endian(大字节序)模式。数据吞吐率高达1200M B /s ,可以连接不同类型的存储器,如FLAS H,SDRAM (同步动态RAM )、SBSRAM (同步突发静态RAM )和S RAM (静态RAM )等。与T I 公司前几代的DSP 相比,C67系列在异步接口上更加方便。用户可以灵活地设置读写周期,实现与不同速度、不同类型的异步器件的直接接口。由于系统采集和处理的数据量大,处理过程的算法复杂,所以需要比较大的程序存储空间和临时数据调度空间。D SP 自带的片内存储空间远远不能达到要求。系统中采用大容量的SDRAM 和F lash 存储器对临时存储空间进行了扩展。通过对E M IF 异步接口提供的/AOE 、/AW E 、/AR E 和ARDY 等4个控制信号的不同组合,实现与这些异步器件的无缝接口。在E M IF 的CE 空间控制(CECTL )寄存器中设置异步读写操作的接口时序,以满足这些不同速度异步器件的数据存取。在C67系列中,EDMA (扩展的直接存储器访问)控制器负责片内L2高速缓冲存储器(Cache)与其他外设之间的数据传输[5]。EDMA 完全可以在CPU 后台高效地完成存储空间中数据的转移,具有高效的传输速率,满足系统面向实时信号处理的要求。

DSP 嵌入式系统中使用D SP /B I O S 操作系统配置系统资

源,嵌入快速傅立叶变换算法线程,使系统更具条理、更简捷。使用C 语言进行嵌入式系统开发,并且充分利用T I 公司提供的D SP /B I O S 图形化配置工具中的CSL,减少编程量,提高程序的可读性。在程序中使用双通道EDM A 并建立两个数据存储区,P i ngBu ffer 和PongBu ffer ,当F IFO 满时发送外部中断信号,启动第一个EDMA 通道将数据传输到P i ngBuffer ,CPU 则在此ED M A 通道完成中断服务子函数中进行数据处理,与此同时,将通道链接至第二个EDM A 通道将数据传输到PongBuffer 中。充分利用了C6713B 中的EDM A 通道链接功能,实现数据快速有效传输的同时完成处理工作。

系统需要脱机独立运行,程序的代码也需要在加电后自动

装载运行。在DSP 系统中使用FLA S H 存储器保存程序,并且在上电或复位时再将存储在FLA S H 中的程序搬移到D SP 片内的RAM 中全速运行。这样既利用了外部的存储单元扩展DSP 本身有限的RAM 资源,又充分发挥了DSP 内部资源的效能。尽管用户代码在一段时间相对是固定的,但是如果直接将其写到内部RAM 中去的话,一方面受容量以及价格的限制,另一方面则在系统代码上显得不是很灵活方便。另外FLA S H 是一种高密度、非易失性的电可擦写存储器,而且单位存储比特的价格比传统的EPROM 要低,十分适合于低功耗、小尺寸和高性能的便携式系统。D SP 的连接框图如图4所示。

图4 DSP 的连接框图

1 4 AR M 数据通信

D SP 处理完的数据,由ARM 负责通过以太网传输到PC 机上进行历史数据的保存和实时频谱的分析,并且通过PC 机上的软件进行系统的远程控制。Sa m sung 公司的ARM CPU S3C4510B 作为ARM 系统单元的主芯片。S3C4510B 是基于以太网应用系统的高性价比16/32位R ISC 微控制器,内含一个由ARM 公司设计的16/32位ARM 7TDM I R ISC 处理器核[6]。S3C4510B 内嵌一个可以以10M /100M 的速率工作在半双工(支持CS M A /CD 协议)或全双工(支持IEEE802.3协议)模式下的以太网控制器,其介质访问控制(M ed i a A ccess Contro ,l M AC )支持媒体独立接口(M II)和带缓冲的DM A 接口(BD I)。M AC 层由发送模块、接收模块、流控模块、以及M AC 控制(命令)寄存器与状态寄存器构成。发送和接收模块均通过M II 进行操作,M II 支持到M AC 层和到物理层接口设备的连接,支持10M (2 5MH z 时钟)或100M (25MH z 时钟)的数据传输能力。因此,S3C4510B 只要外接1片物理层芯片就可以提供以太网的接入通道。在此系统中,使用RTL8201BL 作为以太网的物理

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层接口。由于S3C4510B 片内已有带M II 接口的M AC 控制器,而RT L8201BL 也提供了M II 接口,各种信号的定义也很明确,

因此RTL 8201BL 与S3C4510B 的实际连接电路图如图5

所示。

图5 RTL 8201BL 与S 3C 4510B 的连接电路图

底层传输控制协议/网际协议(TCP /IP )的使用将提高基于以太网的通讯软件实现的可靠性来降低其复杂度。在主处理器内嵌的u C li nux 带有一个完整的TCP /IP 协议,同时它还支持许多其他网络协议。uC li nux 就是M icro Control L i nux ,字面上的理解就是 针对微控制领域而设计的L i nux 系统 。uC li nux 对于嵌入式系统来说是一个网络完备的操作系统。

在uC li nux 上运行了3个任务:读取DSP 处理完的频谱数据和原始时域数据、通过以太网发送数据、接收解析和执行来自远端PC 的命令。其中的读取数据任务对实时性有要求,把它用中断处理程序来实现,而其它的两个任务则通过用户线程来实现。

在uC li nux 中开发的程序分两部分:驱动程序和应用程序。驱动程序是uC li nux 内核和硬件之间的接口,同时也是u C li nux 内核的一部分。应用程序包括网络编程和对设备控制程序。根据实际应用的需要,选用最常见的套接字(Socket)来实现服务器端和客户端的数据通信。So cket 是建立在传输层协议(主要是TCP 和UD P)上的一种套接字规范,它定义2台计算机之间进行通信的规范。套接字是一种软件抽象,用于表达2台机

器之间的连接 终端 [7]。连接一旦建立,应用程序就可以像操作文件句柄一样,通过对套接字句柄读写来实现进程间的数据交换。而不必考虑具体的底层通信协议。实际中常用的是流式套接字和数据报套接字,因为它们提供基于TCP 和U DP 协议的数据流接口.又分别被称为TCP 套接字和UD P 套接字。在开发uC li nux 系统下的Socket 程序时,采用TCP 套接字。因为它提供了一种可靠的面向连接的数据传输方法,有自己的检错和纠错机制,并且不管是对单个的数据报,还是对于数据包,它都提供了一种流式数据传输方式。u C li nux 将所有的设备看作具体的文件,通过文件系统层对设备进行访问,把与设备相关的处理分为文件系统层和设备驱动层。设备驱动层屏蔽具体设备的细节,文件系统层则向用户提供一组统一的规范的用户接口。以太网发送数据的任务和读取数据的任务共享一个缓冲区,通过函数在其间传递缓冲区双向链表的地址。所以还需要为数据处理模块上的通讯接口,即HP I 注册一个驱动程序。读HP I 线程完成如下功能:在中断服务程序将指定数量的数据读到内存空间后,将数据从内核空间读到用户空间,然后将数据写到网络套接字中,再通过以太网发送数据。此机制是

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在uC li nux 操作中用户线程和内核通信的重要方法。

uC li nux 需要读取D SP 数据处理模块中的RAM,所以最好是把DSP 数据处理模块中的RAM 作为uC li nux 的内存地址的一部分,采用H PI (主机接口)技术可以满足此要求[8]。S3C4510B 主动通过H P I 访问D SP 的内部RAM 以及其它资源,除了对主机发中断(通过置HP IC 寄存器的H I NT 位,可以使H I NT 线有效)或清除主机发来的中断(通过清H P I C 寄存器的D SP I NT 标志)需要DSP 操作,片内的DMA 通道会自动辅助完成RAM 区与HP I 数据寄存器的数据传输。S3C4510B 寻址HP I 接口的3个寄存器,根据对这3个寄存器的寻址关系,将主机的2根地址线(A DDR 2、ADDR 3)分别接到D SP 的(H C NT L0、HCNTL1),就可以在编程时使地址线出现要求的高、低电平。主机由HCNTL 0/1线来选择H P I 的某个控制寄存器,通过对这4个寄存器的访问,就可以在所设安全机制的允许范围下读/写D SP 的所有或部分片内RAM.由于S3C4510B 中没有完全符合D SP C6000HP I 接口时序的外部接口可以直接使用,因此选用S3C4510B 中时序最接近HP I 接口时序的外部I /O 接口同DSP 进行连接,如图6

所示。

图6 H PI 接口实现示意图

2 系统调试

系统调试坚持由部分到整体的原则,首先测试电源和时钟部分,在保证有正确的电源和时钟的前提下,对各个板卡分别进行调试。各个板卡调试完成后把信号调理和A /D 采样板卡、FPGA 逻辑控制板卡以及D SP 数据处理板卡连接起来,利用信号源输入固定频率的正弦波信号,通过D SP 数据处理板卡上的J TAG (Jo i nt T est A ction G roup ;联合测试行动小组,一种国际标准测试协议)接口,在CCS(Code Com pose r St udio)集成开发环境中,利用v ie w 工具档中的G raph 显示查看采集的原始时域波形和FFT 处理后的频谱图。最后连上ARM 通信板卡和PC 机,实现系统的整体调试。

在监测系统的上位机界面中可以选择频域、时域和直

显示来对信号进行监视和分析。频域显示包括单元谱、多布图、频谱图和谱线图。该线图能以800条谱线/s 的新。时域显示包括单线迹,条带图和瀑布图。作为标准显出的有直方图,概率密度的函数(PDE )和累积密度(CDF );其它一些特点包括数字余辉、数字图像增强滤波种图标功能。3 结束语

基于DSP 和Ethernet 的实时信号频谱监测系统,试验证明它可以执行所有的H FC 反向通道管理维护所需要的应用,包括:信号监测、反向通道状况分析、分配系统的安装和维护、工程安装验收以及分级别的实时信号监测。监测系统所有的组件都是以低冗余、多弹性、高性价的方式紧密结合起来的;具有极高的扫描速度和高速数据采集能力,能分析现场设备发来的回传测试信号并向现场设备发送频率响应特性、修正指数、频谱信息等多种参数,通过以太网络实时的监测所有H FC 反向通道信号,对所保存的频谱数据进行统计分析;利用选配件,配合现场手持式综合信号分析仪使用,在同一屏幕中对比现场测试点的信号频谱和从监测系统上下载的前端测试信号频谱;和基于瞬态开关的噪声抑制系统组成HFC 反向通道噪声监控系统,调用DSP 的噪声提取算法模块,实时监测H FC 反向通道的噪声,利用噪声抑制系统控制HFC 上行的汇聚支路数(只让有反向信号的支路打开),从而大大减少了上行噪声的汇集。利用HFC 反向通道噪声监控系统保障CATV 网络的反向通道,实现可靠的上行数据传输,为数字广播电视交互式业务的扩展提供了技术保障。参考文献:

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作者简介:王淦平(1977 ),硕士研究生,研究方向为DSP 技术、数字电

路设计和有线电视信号处理。E m a i :l w gp_168@hot m ai.l co m

数字信号处理技术的最新发展

数字信号处理技术的最新发展 电子与信息工程学院12S005044 郭晓江 摘要：数字信号处理（DSP,digital signal processing）是一门涉及许多领域的新兴学科，在现代科技发展中发挥着极其重要的作用。近年来，随着半导体技术的进步，处理器芯片的处理能力越来越强大，使得信号处理的研究可以主要放在算法和软件方面，不再像过去那样需要过多考虑硬件。由于它的出色性能，DSP目前被广泛应用于数字通信、信号处理、工业控制、图像处理等领域。自从数字信号处理器问世以来，由于它具有高速、灵活、可编程、低功耗和便于接口等特点，已在图形、图像处理，语音、语言处理，通用信号处理，测量分析，通信等领域发挥越来越重要的作用。随着技术成本的降低，控制界已对此产生浓厚兴趣，已在不少场合得到成功应用。数字信号处理（DSP）是广泛应用于许多领域的新兴学科，因其具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可重复性好、易于实现自适应算法、大规模集成等优点，广泛应用于实时信号处理系统中。DSP技术在数据通信、汽车电子、图像处理以及声音处理等领域应用广泛。 DSP国际发展现状 国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头。欧美等科技大国保持着国际领先的地位。例如美国DSP research公司，Pentek公司，Motorola公司，加拿大Dy4公司等，他们很多已经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈。我们从国际知名DSP技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况。 以Pentek公司一款处理板4293为例，使用8片TI公司300 MHz的TMS320C6203芯片，具有19 200 MIPS的处理能力，同时集成了8片32 MB的SDRAM，数据吞吐600 MB/s。该公司另一款处理板4294集成了4片Motorola MPC7410 G4 PowerPC处理器，工作频率400/500 MHz，两级缓存256K×64 bit，最高具有16MB 的SDRAM。 ADI公司的TigerSHARC芯片也由于其出色的协同工作能力，可以组成强大的处理器阵列，在诸多领域（特别是军事领域）获得了广泛的应用。以英国Transtech DSP公司的TP-P36N为例，它由4～8片TS101b（TigerSharc）芯片构成，时钟250 MHz，具有6～12 GFLOPS的处理能力。 DSP应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在以往的20年中，这一进程在不断重复进行，而且周期在不断缩小。在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速地推上市场，因此，DSP的产业化进程还是需要加速进行。随着竞争的加剧，DSP生产商随时调整发展规划，以全面的市场规划和完善的解决方案，加上新的开发历年，不断深化产业化进程。 2002年1月7日~11日，在美国拉斯维加斯举行的全球最大的消费类电子产品展CES (Consumer Electronic Show)，以及2月1 日在英国伦敦科学博物馆开幕“通向未来”科学技术展，展示了最新研究开发的DSP 新技术新产品在通信领域的应用。DSP制造商新推出一系列的产品，并且都瞄准了通信领域的应用。 作为处理数字信号的DSP技术，为人们快速的获取、分析和利用有效信息奠定

对正弦信号的采样频谱分析.doc

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 课程设计 课程名称：课程设计2 设计题目：对正弦信号的抽样频谱分析院系：电子与信息工程学院 班级：0805203 设计者：褚天琦 学号：1080520314 指导教师：郑薇 设计时间：2011-10-15 哈尔滨工业大学

一、题目要求： 给定采样频率fs，两个正弦信号相加，两信号幅度不同、频率不同。要求给定正弦信号频率的选择与采样频率成整数关系和非整数关系两种情况，信号持续时间选择多种情况分别进行频谱分析。 二、题目原理与分析： 本题目要对正弦信号进行抽样，并使用fft对采样信号进行频谱分析。因此首先对连续正弦信号进行离散处理。实际操作中通过对连续信号间隔相同的抽样周期取值来达到离散化的目的。根据抽样定理，如果信号带宽小于奈奎斯特频率（即采样频率的二分之一），那么此时这些离散的采样点能够完全表示原信号。高于或处于奈奎斯特频率的频率分量会导致混叠现象。设抽样周期为TS(抽样角频率为ωS)，则 可见抽样后的频谱是原信号频谱的周期性重复，当信号带宽小于奈奎斯特频率的二分之一时不会产生频谱混叠现象。 因此，我们对采样频率的选择采取fs>2fo,fs=2fo,fs<2fo三种情况进行分析。对信号采样后，使用fft函数对其进行频谱分析。为了使频谱图像更加清楚，更能准确反映实际情况并接近理想情况，我们采用512点fft。取512点fft不仅可以加快计算速度，而且可以使频谱图更加精确。若取的点数较少，则会造成频谱较大的失真。 三、实验程序： 本实验采用matlab编写程序，实验中取原信号为 ft=sin(2πfXt)+2sin(10πfXt)，取频率f=1kHz，实验程序如下： f=1000;fs=20000;Um=1; N=512;T=1/fs; t=0:1/fs:0.01; ft=Um*sin(2*pi*f*t)+2*Um*sin(10*pi*f*t); subplot(3,1,1); plot(t,ft);grid on; axis([0 0.01 1.1*min(ft) 1.1*max(ft)]); xlabel('t'),ylabel('ft'); title('抽样信号的连续形式'); subplot(3,1,2); stem(t,ft);grid on; axis([0 0.01 1.1*min(ft) 1.1*max(ft)]); xlabel('t'),ylabel('ft');

数字信号处理的应用和发展前景

数字信号处理的应用与发展趋势 作者：王欢 天津大学信息学院电信三班 摘要： 数字信号处理是应用于广泛领域的新兴学科，也是电子工业领域发展最为迅速的技术之一。本文就数字信号处理的方法、发展历史、优缺点、现代社会的应用领域以及发展前景五个方面进行了简明扼要的阐述。 关键词： 数字信号处理发展历史灵活稳定应用广泛发展前景 数字信号处理的简介 1.1、什么是数字信号处理 数字信号处理简称DSP，英文全名是Digital Signal Processing。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 DSP系统的基本模型如下： 数字信号处理是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴学科。它以众多的学科为理论基础，所涉及范围及其广泛。例如，在数学领域、微积分、概率统计、随即过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具；同时与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等学科也密切相关。近年来的一些新兴学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都是与数字信号处理密不可分的。数字信号处理可以说许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一门新兴学科的理论基础。 1.2、数字信号系统的发展过程 数字信号处理技术的发展经历了三个阶段。 70 年代DSP 是基于数字滤波和快速傅里叶变换的经典数字信号处理, 其系统由分立的小规模集成电路组成, 或在通用计算机上编程来实现DSP 处理功能, 当时受到计算机速度和存储量的限制,一般只能脱机处理, 主要在医疗电子、生物电子、应用地球物理等低频信号处理方面获得应用。 80 年代DSP 有了快速发展, 理论和技术进入到以快速傅里叶变换(FFT) 为主体的现代信号处理阶段, 出现了有可编程能力的通用数字信号处理芯片, 例如美国德州仪器公司(TI公司) 的TMS32010 芯片, 在全世界推广应用, 在雷达、语音通信、地震等领域获得应用, 但芯片价格较贵, 还不能进 入消费领域应用。 90 年代DSP 技术的飞速发展十分惊人, 理论和技术发展到以非线性谱估计为代表的更先进的信号处理阶段, 能够用高速的DSP 处理技术提取更深层的信息, 硬件采用更高速的DSP 芯片, 能实时地完成巨大的计算量, 以TI 公司推出的TMS320C6X 芯片为例, 片内有两个高速乘法器、6 个加法器, 能以200MHZ 频率完成8 段32 位指令操作, 每秒可以完成16 亿次操作, 并且利用成熟的微电子工艺批量生产,使单个芯片成本得以降低。并推出了C2X 、C3X 、C5X 、C6X不同应用范围的系列, 新一代的DSP 芯片在移动通信、数字电视和消费电子领域得到广泛应用, 数字化的产品性能价 格比得到很大提高, 占有巨大的市场。 1.3、数字信号处理的特点

数字信号处理技术及发展趋势

数字信号处理技术及发展趋势 贵州师范大学物电学院电子信息科学与技术 罗滨志 120802010051 摘要 数字信号处理的英文缩写是DSP，而数字信号处理又是电子设计领域的术语，其实现的功能即是用离散（在时间和幅度两个方面）所采样出来的数据集合来表示和处理信号和系统，其中包括滤波、变换、压缩、扩展、增强、复原、估计、识别、分析、综合等的加工处理，从而达到可以方便获得有用的信息，方便应用的目的【1】。而DPS实现的功能即是对信号进行数字处理，数字信号又是离散的，所以DSP大多应用在离散信号处理当中。 从DSP的功能上来看，其发展趋势日益改变着我们的科技的进步，也给世界带来了巨大的变化。从移动通信到消费电子领域，从汽车电子到医疗仪器，从自动控制到军用电子系统中都可以发现它的身影【2】。拥有无限精彩的数字信号处理技术让我们这个世界充满变化，充满挑战。 In this paper Is the abbreviation of digital signal processing DSP, the digital signal processing (DSP) is the term in the field of electronic design, the function of its implementation is to use discrete (both in time and amplitude) sampling represented data collection and processing of signals and systems, including filtering, transformation, compression, extension, enhancement, restoration, estimation, identification, analysis, and comprehensive processing, thus can get useful information, convenient for the purpose of convenient application [1]. And DPS the functions is to digital signal processing, digital signal is discrete, so most of DSP applications in discrete signal processing. From the perspective of the function of DSP, and its development trend is increasingly changing our of the progress of science and technology, great changes have also brought the world. From mobile communication in the field of consumer electronics, from automotive electronics to medical equipment, from automatic control to the military electronic systems can be found in the figure of it [2]. Infinite wonderful digital signal processing technology to let our world full of changes, full of challenges

用FFT对信号作频谱分析 实验报告

实验报告 实验三：用FFT 对信号作频谱分析 一、 实验目的与要求 学习用FFT 对连续信号和时域离散信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析误差及其原因，以便正确应用FFT 。 二、 实验原理 用FFT 对信号作频分析是学习数字信号处理的重要内容，经常需要进行分析的信号是模拟信号的时域离散信号。对信号进行谱分析的重要问题是频谱分辨率D 和分析误差。频谱分辨率直接和FFT 的变换区间N 有关，因为FFT 能够实现的频率分辨率是2π/N ，因此要求2π/N 小于等于D 。可以根据此式选择FFT 的变换区间N 。误差主要来自于用FFT 作频谱分析时，得到的是离散谱，而信号（周期信号除外）是连续谱，只有当N 较大时，离散谱的包络才能逼近连续谱，因此N 要适当选择大一些。 三、 实验步骤及内容（含结果分析） （1）对以下序列进行FFT 分析： x 1(n)=R 4(n) x 2(n)= x 3(n)= 选择FFT 的变换区间N 为8和16两种情况进行频谱分析，分别打印出幅频特性曲线，并进行讨论、分析与比较。 【实验结果如下】： n+1 0≤n ≤3 8-n 4≤n ≤7 0 其它n 4-n 0≤n ≤3 n-3 4≤n ≤7 0 其它 n

实验结果图形与理论分析相符。（2）对以下周期序列进行谱分析： x4(n)=cos[(π/4)*n]

x5(n)= cos[(π/4)*n]+ cos[(π/8)*n] 选择FFT的变换区间N为8和16两种情况进行频谱分析，分别打印出幅频特性曲线，并进行讨论、分析与比较。 【实验结果如下】： （3）对模拟周期信号进行频谱分析： x6(n)= cos(8πt)+ cos(16πt)+ cos(20πt) 选择采样频率Fs=64Hz，FFT的变换区间N为16、32、64三种情况进行频谱分析，分别打印出幅频特性曲线，并进行讨论、分析与比较。 【实验结果如下】：

数字信号处理的新技术及发展

数字信号处理的新技术及发展 摘要：数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。本文简述了数字信号处理技术的发展过程，分析了数字信号处理技术在多个领域应用状况，介绍了数字信号处理技术的最新发展，对数字信号处理技术的发展前景进行了展望。 关键词：信号数字信号处理信息技术DSP 0引言 自从数字信号处理（Digital Signal Processor）问世以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生，并到迅速的发展。由于它具有高速、灵活、可编程、低功耗和便于接口等特点，已在图形、图像处理，语音、语言处理，通用信号处理，测量分析，通信等领域发挥越来越重要的作用。随着技术成本的降低，控制界已对此产生浓厚兴趣，已在不少场合得到成功应用。 1数字信号处理技术的发展历程 DSP的发展大致分为三个阶段： 在数字信号处理技术发展的初期（二十世纪50-60年代），人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。直到70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。一般认为，世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S281l。1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个重要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的mPD7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片，从而被认为是第一块单片DSP器件。 随着大规模集成电路技术的发展，1982年美国德州仪器公司推出世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品，标志了实时数字信号处理领域的重大突破。Ti公司之后不久相继推出了第二代和第三代DSP芯片。90年代DSP发展最快。Ti公司相继推出第四代、第五代DSP芯片等。 随着CMOS技术的进步与发展，日本的Hitachi公司在1982年推出第一个基于CMOS工艺的浮点DSP芯片，1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764，其指

信号的频谱分析及MATLAB实现

第23卷第3期湖南理工学院学报(自然科学版)Vol.23 No.3 2010年9月 Journal of Hunan Institute of Science and Technology (Natural Sciences) Sep. 2010信号的频谱分析及MATLAB实现 张登奇, 杨慧银 (湖南理工学院信息与通信工程学院, 湖南岳阳 414006) 摘 要: DFT是在时域和频域上都已离散的傅里叶变换, 适于数值计算且有快速算法, 是利用计算机实现信号频谱分析的常用数学工具. 文章介绍了利用DFT分析信号频谱的基本流程, 重点阐述了频谱分析过程中误差形成的原因及减小分析误差的主要措施, 实例列举了MATLAB环境下频谱分析的实现程序. 通过与理论分析的对比, 解释了利用DFT分析信号频谱时存在的频谱混叠、频谱泄漏及栅栏效应, 并提出了相应的改进方法. 关键词: MA TLAB; 频谱分析; 离散傅里叶变换; 频谱混叠; 频谱泄漏; 栅栏效应 中图分类号: TN911.6 文献标识码: A 文章编号: 1672-5298(2010)03-0029-05 Analysis of Signal Spectrum and Realization Based on MATLAB ZHANG Deng-qi, YANG Hui-yin (College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China) Abstract:DFT is a Fourier Transform which is discrete both in time-domain and frequency-domain, it fits numerical calculation and has fast algorithm, so it is a common mathematical tool which can realize signal spectrum analysis with computer. This paper introduces the basic process of signal spectrum analysis with DFT, emphasizes the causes of error producing in spectrum analysis process and the main ways to decrease the analysis error, and lists the programs of spectrum analysis based on MATLAB. Through the comparison with the theory analysis, the problems of spectrum aliasing, spectrum leakage and picket fence effect are explained when using DFT to analyze signal spectrum, and the corresponding solution is presented. Key words:MATLAB; spectrum analysis; DFT; spectrum aliasing; spectrum leakage; picket fence effect 引言 信号的频谱分析就是利用傅里叶分析的方法, 求出与时域描述相对应的频域描述, 从中找出信号频谱的变化规律, 以达到特征提取的目的[1]. 不同信号的傅里叶分析理论与方法, 在有关专业书中都有介绍, 但实际的待分析信号一般没有解析式, 直接利用公式进行傅里叶分析非常困难. DFT是一种时域和频域均离散化的傅里叶变换, 适合数值计算且有快速算法, 是分析信号的有力工具. 本文以连续时间信号为例, 介绍利用DFT分析信号频谱的基本流程, 重点阐述频谱分析过程中可能存在的误差, 实例列出MATLAB 环境下频谱分析的实现程序. 1 分析流程 实际信号一般没有解析表达式, 不能直接利用傅里叶分析公式计算频谱, 虽然可以采用数值积分方法进行频谱分析, 但因数据量大、速度慢而无应用价值. DFT在时域和频域均实现了离散化, 适合数值计算且有快速算法, 是利用计算机分析信号频谱的首选工具. 由于DFT要求信号时域离散且数量有限, 如果是时域连续信号则必须先进行时域采样, 即使是离散信号, 如果序列很长或采样点数太多, 计算机存储和DFT计算都很困难, 通常采用加窗方法截取部分数据进行DFT运算. 对于有限长序列, 因其频谱是连续的, DFT只能描述其有限个频点数据, 故存在所谓栅栏效应. 总之, 用DFT分析实际信号的频谱, 其结果必然是近似的. 即使是对所有离散信号进行DFT变换, 也只能用有限个频谱数据近似表示连续频 收稿日期: 2010-06-09 作者简介: 张登奇(1968? ), 男, 湖南临湘人, 硕士, 湖南理工学院信息与通信工程学院副教授. 主要研究方向: 信号与信息处理

DSP技术综述

DSP技术综述 班级：7 学号： 姓名：

【摘要】数字信号处理（DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。它是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。本文概述了数字信号处理技术的发展过程，分析了DSP处理器在多个领域应用状况，介绍了DSP的最新发展，对数字信号处理技术的发展前景进行了展望。 【Abstract】:Digital signal processing (DSP) is the one who is widely used in many disciplines involved in many areas of emerging disciplines. It is a through the use of mathematical skills execution conversion or extract information, to deal with real signal method, these signals by digital sequence said.This paper outlines the development of digital signal processing technology, processes, analyzes the DSP processor, application status in many areas, introduced the latest developments in DSP, digital signal processing technology for the future development prospects. 【关键词】数字信号处理；DSP平台；DSP发展趋势【Key words】Signal digital signal processing ; DSP platform ; the development trend of DSP

实验二连续时间信号的频域分析

实验二 连续时间信号的频域分析 一、实验目的 1、掌握连续时间周期信号的傅里叶级数的物理意义和分析方法； 2、观察截短傅里叶级数而产生的“Gibbs 现象”，了解其特点以及产生的原因； 3、掌握连续时间傅里叶变换的分析方法及其物理意义； 4、掌握各种典型的连续时间非周期信号的频谱特征以及傅里叶变换的主要性质； 5、学习掌握利用Matlab 语言编写计算CTFS 、CTFT 和DTFT 的仿真程序，并能利用这些程序对一些典型信号进行频谱分析，验证CTFT 、DTFT 的若干重要性质。 基本要求：掌握并深刻理傅里叶变换的物理意义，掌握信号的傅里叶变换的计算方法，掌握利用Matlab 编程完成相关的傅里叶变换的计算。 二、原理说明 1、连续时间周期信号的傅里叶级数CTFS 分析 任何一个周期为T 1的正弦周期信号，只要满足狄利克利条件，就可以展开成傅里叶级数。 三角傅里叶级数为： ∑∞ =++=1 000)]sin()cos([)(k k k t k b t k a a t x ωω 2.1 或： ∑∞=++=1 00)cos()(k k k t k c a t x ?ω 2.2 其中1 02T πω=，称为信号的基本频率（Fundamental frequency ），k k b a a ，和，0分别是信号)(t x 的直流分量、 余弦分量幅度和正弦分量幅度，k k c ?、为合并同频率项之后各正弦谐波分量的幅度和初相位，它们都是频率0ωk 的函数，绘制出它们与0ωk 之间的图像，称为信号的频谱图（简称“频谱”），k c －0ωk 图像为幅度谱，k ?－0ωk 图像为相位谱。 三角形式傅里叶级数表明，如果一个周期信号x(t)，满足狄里克利条件，就可以被看作是由很多不同频率的互为谐波关系（harmonically related ）的正弦信号所组成，其中每一个不同频率的正弦信号称为正弦谐波分量 (Sinusoid component)，其幅度（amplitude ）为k c 。也可以反过来理解三角傅里叶级数：用无限多个正弦谐波分量可以合成一个任意的非正弦周期信号。 指数形式的傅里叶级数为：

信号的频谱分析

实验三信号的频谱分析 方波信号的分解与合成实验 一、任务与目的 1. 了解方波的傅立叶级数展开和频谱特性。 2. 掌握方波信号在时域上进行分解与合成的方法。 3. 掌握方波谐波分量的幅值和相位对信号合成的影响。 二、原理（条件） PC机一台，TD－SAS系列教学实验系统一套。 1. 信号的傅立叶级数展开与频谱分析 信号的时域特性和频域特性是对信号的两种不同的描述方式。对于一个时域的周期信号f(t)，只要满足狄利克莱条件，就可以将其展开成傅立叶级数： 如果将式中同频率项合并，可以写成如下形式： 从式中可以看出，信号f(t)是由直流分量和许多余弦（或正弦）分量组成。其中第一项A0/2是常数项，它是周期信号中所包含的直流分量；式中第二项A1cos(Ωt+φ1)称为基波，它的角频率与原周期信号相同，A1是基波振幅，φ1是基波初相角；式中第三项A2cos(Ωt+φ2)称为二次谐波，它的频率是基波的二倍，A2是基波振幅，φ2是基波初相角。依此类推，还有三次、四次等高次谐波分量。 2. 方波信号的频谱 将方波信号展开成傅立叶级数为： n=1，3，5… 此公式说明，方波信号中只含有一、三、五等奇次谐波分量，并且其各奇次谐波分量的幅值逐渐减小，初相角为零。图3-1-1为一个周期方波信号的组成情况，由图可见，当它包含的分量越多时，波形越接近于原来的方波信号，还可以看出频率较低的谐波分量振幅较大，它们组成方波的主体，而频率较高的谐波分量振幅较小，它们主要影响波形的细节。

（a）基波（b）基波＋三次谐波 （c）基波＋三次谐波＋五次谐波 （d）基波＋三次谐波＋五次谐波＋七次谐波 （e）基波＋三次谐波＋五次谐波＋七次谐波＋九次谐波 图3-1-1方波的合成 3. 方波信号的分解 方波信号的分解的基本工作原理是采用多个带通滤波器，把它们的中心频率分别调到被测信号的各个频率分量上，当被测信号同时加到多路滤波器上，中心频率与信号所包含的某次谐波分量频率一致的滤波器便有输出。在被测信号发生的实际时间内可以同时测得信号所包含的各频率分量。本实验便是采用此方法，实验中共有5路滤波器，分别对应方波的一、三、五、七、九次分量。 4. 信号的合成 本实验将分解出的1路基波分量和4路谐波分量通过一个加法器，合成为原输入的方波信号，信号合成电路图如图3-1-2所示。 图3-1-2 三、内容与步骤 本实验在方波信号的分解与合成单元完成。 1. 使信号发生器输出频率为100Hz、幅值为4V的方波信号，接入IN端。 2. 用示波器同时测量IN和OUT1端，调节该通路所对应的幅值调节电位器，使该通路输出方波的基波分量，基波分量的幅值为方波信号幅值的4/π倍，频率于方波相同并且没有相位差.（注意：出厂时波形调节电位器已调到最佳位置，其波形基本不失真，基本没有相位差。若实验中发现存在波形失真或有相位差的现象，请适当调节波形调节电位器，使波形恢复正常。） 3. 用同样的方法分别在OUT3、OUT5、OUT7、OUT9端得到方波的三、五、七、九此谐波分量（注意其他谐波分量各参数应当满足式3-1-1所示）。 4. 完成信号的分解后，先后将OUT1与IN1、OUT3与IN2、OUT5与IN3、OUT7与IN4、OUT9与IN5连接起来，即进行谐波叠加（信号合成），分别测量（1）基波与三次谐波；（2）基波、三次谐波与五次谐波；（3）基波、三次谐波、五次谐波与七次谐波；（4）基波、三次谐波、五次谐波、七次谐波与九次谐波合成后的波形。并分别保

高速实时数字信号处理系统技术探析

高速实时数字信号处理系统技术探析　 （毛二可院士　龙腾副教授）　 　 高速实时数字信号处理（ＤＳＰ）技术取得了飞速的发展，目前单片ＤＳＰ芯片的速度已经可以达到每秒１６亿次定点运算（１６００ＭＩＰｓ到４８００ＭＩＰｓ）；最近ＴＩ宣布１ＧＨｚ　ＤＳＰ已经准备投产。其高速度、可编程、小型化的特点将使信息处理技术进入一个新纪元。一个完整的高速实时数字信号处理系统包括多种功能模块，如ＤＳＰ、ＡＤＣ、ＤＡＣ等等。本文的内容主要是分析高速实时数字信号处理系统的产生、特点、构成、以及系统设计中的一些问题，并对其中的主要功能模块分别进行了分析。　 一、高速实时数字信号处理概述　 １．信号处理的概念　 信号处理的本质是信息的变换和提取，是将信息从各种噪声、干扰的环境中提取出来，并变换为一种便于为人或机器所使用的形式。从某种意义上说，信号处理类似于＂沙里淘金＂的过程：它并不能增加信息量（即不能增加金子的含量），但是可以把信息（即金子）从各种噪声、干扰的环境中（即散落在沙子中）提取出来，变换成可以利用的形式（如金条等等）。如果不进行这样的变换，信息虽然存在，但却是无法利用的；这正如散落在沙中的金子无法直接利用一样。　 ２．高速实时数字信号处理的产生　 早期的信号处理主要是采用模拟的处理方法，包括运算放大电路、声表面波器件（ＳＡＷ）以及电荷耦合器件（ＣＣＤ）等等。例如运算放大电路通过不同的电阻组配可以实现算术运算，通过电阻、电容的组配可以实现滤波处理等等。模拟处理最大的问题是不灵活、不稳定。其不灵活体现在参数修改困难，需要采用多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电子开关选通才能修改处理参数。其不稳定主要体现为对周围环境变化的敏感性，例如温度、电路噪声等都会造成处理结果的改变。 　解决以上问题最好的方法就是采用数字信号处理技术。数字信号处理可以通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵活性。由于数字电路采用了二值逻辑，因此只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路逻辑的翻转，数字电路的工作都可以不受影响地完成，具有很好的稳定性。因此，数字信号处理已经成为信号处理技术的主流。　 数字信号处理的主要缺点是处理量随处理精度、信息量的增加而成倍增长，解决这一问题的方法是研究高速运行的数字信号处理系统；这就是本文所探讨的主题：高速实时数字信号处理的理论与技术。　３．高速实时数字信号处理特点　 　高速实时数字信号处理的特点：　 首先是高速度，其处理速度可以达到数百兆量级。

数字信号处理技术的应用和发展

数字信号处理技术的应用和发展 摘要互联网信息化技术的不断进步和应用范围的持续拓宽加速了数字时代的到来。数字信号处理技术是将声音、图片或者是视频进行信息的模拟再将其转化为数字信息，该技术也是数字时代的标志性技术，目前已经在仪器仪表、通信、计算机以及图像图形处理等领域得到了广泛应用。本文结合数字处理技术的特点，就其应用现状和发展方向进行了思考。【关键词】数字信号处理数字时代计算机技术发展 计算机、机械制造、通讯等技术的进步为数字信号处理技术的发展提供了基础。数字信息护理技术可以对更大层面的数据信息进行分析处理，作为数字信号处理环节中实用性较强的应用型技术综合了数字信号处理理论、硬件技术、软件技术等。分析数字信号技术的发展现状对于技术和优化和应用水平的提高有着重要的理论意义和现实意义。 1 数字信号处理技术概述 1.1 数字信号处理技术的特点 数据提取和转化是数字信号处理技术的本质特征，该技术就是将各类信号从复杂的环境中提取出来并将其转化为更加容易识别和利用的形式。高速的运算能力和高准确性的运算结果是数字信号处理技术的显著特征。通过独特的寻址模式和流水线结构是数字信号处理技术的主要运算方法。在一个指令周期内分别进行一次乘法和一次加法就是硬件乘法累加操作，该技术应用在实际的操作中速度可以达到800Mb/s。除此之外数字信号处理技术的稳定性也十分出色，通过二值逻辑的采用使得数字信号处理技术可以保证较强的环境使用能力。在软件的作用下数字处理技术可以实现参数的修改，保证较强的灵活性。 1.2 数字信号处理技术应用的意义

各类新技术的出现与发展对于社会生产和人类生活产生了巨大的影响，数字信号处理技术作为一项发展较快且适用性强的技术，其发展迅速在各个领域的应用水平也不断提高，销售价格也随之降低。目前应用中的数字信号处理技术的总线、资源及技术结构的标准化程度不断提高，一方面这会加剧我国的电子产品行业的竞争，另一方面也会促进电子产品和其他相关行业的进步与发展。 2 数字信号处理技术的应用思考 2.1 通信领域的应用 目前数字信号技术已经在众多领域得到了应用，通信领域中信号处理技术的应用推动了通信技术的发展和通信行业的变革。数字信号处理技术显著提高了通信信号和信息的处理效率和处理质量，为通信技术的进步与变革提供了基础，数字信号处理技术已经成为了通信理论中的一个新的学科，加快了无线系统成为主流通信方式的进程，数字信号处理技术对于通信行业的发展有着重要的支撑和引导作用，可视电话以及通信扩频等都需要数字信号处理技术参与的情况下才可以实现。 2.2 图像图形技术领域的应用 数字信号处理技术在图像图形技术领域的应用主要集中在有线电视机高品位卫星广播中，除此之外在MPEG2编码器和译码器、DVD活动中的图像压缩和解压中也发挥着重要的作用。数字信号处理技术的应用有效推动了信息处理速度和处理功能的提高，科技的不断进步加快了活动影像解压技术的快速发展。 2.3 仪器仪表领域中的应用 目前仪器仪表领域中相关测量工作中也有着数字信号处理技术的应用，于此同时该技术有取代高档单片机成为主流仪器仪表测量方式的趋势。在仪器仪表的开发和测量中应用数字信号处理技术有利于产品档次的提高，相较于传统的信息处理技术数字信号处理技术的内在资源

周期信号的频谱分析

信号与系统 实验报告 实验三周期信号的频谱分析 实验报告评分：_______ 实验三周期信号的频谱分析 实验目的： 1、掌握连续时间周期信号的傅里叶级数的物理意义和分析方法； 2、观察截短傅里叶级数而产生的“Gibbs现象”，了解其特点以及产生的原因；

3、掌握各种典型的连续时间非周期信号的频谱特征。 实验内容： （1）Q3-1 编写程序Q3_1，绘制下面的信号的波形图： 其中，0 = 0.5π，要求将一个图形窗口分割成四个子图，分别绘制cos( 0t)、cos(3 0t)、cos(5 0t)和x(t) 的波形图，给图形加title，网格线和x坐标标签，并且程序能够接受从键盘输入的和式中的项数。 程序如下: clear,%Clear all variables close all,%Close all figure windows dt = 0.00001; %Specify the step of time variable t = -2:dt:4; %Specify the interval of time w0=0.5*pi; x1=cos(w0.*t); x2=cos(3*w0.*t); x3=cos(5*w0.*t); N=input('Type in the number of the harmonic components N='); x=0; for q=1:N; x=x+(sin(q*(pi/2)).*cos(q*w0*t))/q; end subplot(221) plot(t,x1)%Plot x1 axis([-2 4 -2 2]); grid on, title('signal cos(w0.*t)') subplot(222) plot(t,x2)%Plot x2 axis([-2 4 -2 2]); grid on, title('signal cos(3*w0.*t))') subplot(223) plot(t,x3)%Plot x3 axis([-2 4 -2 2])

高速实时数字信号处理硬件技术发展概述

高速实时数字信号处理硬件技术发展概述 摘要:在过去的几年里，高速实时数字信号处理（DSP）技术取得了飞速的収展，目前单片DSP芯片的速度已经可以达到每秒80亿次定点运算（8000MIPS）；其 高速度、可编程、小型化的特点将使信息处理技术迚入一个新纪元。一个完整的高速 实时数字信号处理系统包括多种功能模块，如DSP，ADC，DAC，RAM，FPGA，总线接口等技术本文的内容主要是分析高速实时数字信号处理系统的特点，构成，収展过程和系统设计中的一些问题，幵对其中的主要功能模块分别迚行了分析。最后文中介绍了一种采用自行开収的COTS产品快速构建嵌入式幵行实时信号处理系统的设计方法。 1．概述 信号处理的本质是信息的变换和提取，是将信息仍各种噪声、干扰的环境中提取出来，幵变换为一种便于为人或机器所使用的形式。仍某种意义上说，信号处理类似于”沙里淘金”的过程:它幵不能增加信息量（即不能增加金子的含量），但是可以把信息（即金子）仍各种噪声、干扰的环境中（即散落在沙子中）提取出来，变换成可以利用的形式（如金条等）。如果不迚行这样的变换，信息虽然存在，但却是无法利用的，这正如散落在沙中的金子无法直接利用一样。 高速实时信号处理是信号处理中的一个特殊分支。它的主要特点是高速处理和实时处理，被广泛应用在工业和军事的关键领域，如对雷达信号的处理、对通

信基站信号的处理等。高速实时信号处理技术除了核心的高速DSP技术外，还包括很多外围技术，如ADC，DAC等外围器件技术、系统总线技术等。 本文比较全面地介绍了各种关键技术的当前状态和収展趋势，幵介绍了目前高性能嵌入式幵行实时信号处理的技术特点和収展趋势，最后介绍了一种基于COTS产品快速构建嵌入式幵行实时信号处理系统的设计方法。 2．DSP技术 2.1 DSP的概念 DSP（digital signal processor），即数字信号处理器，是一种专用于数字信号处理的可编程芯片。它的主要特点是: ①高度的实时性，运行时间可以预测； ②Harvard体系结构，指令和数据总线分开（有别于冯·诺依曼结构）； ③RISC指令集，指令时间可以预测； ④特殊的体系结构，适合于运算密集的应用场合； ⑤内部硬件乘法器，乘法运算时间短、速度快； ⑥高度的集成性，带有多种存储器接口和IO互联接口； ⑦普遍带有DMA通道控制器，保证数据传辒和计算处理幵行工作； ⑧低功耗，适合嵌入式系统应用。 DSP有多种分类方式。其中按照数据类型分类，DSP被分为定点处理器（如ADI的ADSP218x/9xBF5xx，TI的TMS320C62/C64）和浮点处理器（如ADI的SHARC/Tiger SHARC系统·TI的TMS320C67）。 雷达信号处理系统对DSP的要求很高，通常是使用32bit的高端DSP；而且浮

信号的频谱分析及MATLAB实现

信号的频谱分析及MATLAB 实现（实例） 摘自：张登奇,杨慧银.信号的频谱分析及MATLAB 实现[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2010,(03) 摘 要：DFT 是在时域和频域上都已离散的傅里叶变换，适于数值计算且有快速算法，是利用计算机实现信号频谱分析的常用数学工具。文章介绍了利用DFT 分析信号频谱的基本流程，重点阐述了频谱分析过程中误差形成的原因及减小分析误差的主要措施，实例列举了MATLAB 环境下频谱分析的实现程序。通过与理论分析的对比，解释了利用DFT 分析信号频谱时存在的频谱混叠、频谱泄漏及栅栏效应，并提出了相应的改进方法。 关键词：MATLAB ；频谱分析；离散傅里叶变换；频谱混叠；频谱泄漏；栅栏效应 3 分析实例 对信号进行频谱分析时，由于信号不同，傅里叶分析的频率单位也可能不同，频率轴有不同的定标方式。为了便于对不同信号的傅里叶分析进行对比，这里统一采用无纲量的归一化频率单位，即模拟频率对采样频率归一化；模拟角频率对采样角频率归一化；数字频率对2π归一化；DFT 的k 值对总点数归一化。同时，为了便于与理论值进行对比，理解误差的形成和大小，这里以确定信号的幅度谱分析为例进行分析说明。假设信号为：)()(t u e t x t -=，分析过程：首先利用CTFT 公式计算其模拟频谱的理论值；然后对其进行等间隔理想采样，得到)(n x 序列，利用DTFT 公式计算采样序列的数字连续频谱理论值，通过与模拟频谱的理论值对比，理解混叠误差形成的原因及减小误差的措施；接下来是对)(n x 序列进行加窗处理，得到有限长加窗序列)(n xw ，再次利用DTFT 公式计算加窗后序列)(n xw 的数字连续频谱，并与加窗前)(n x 的数字连续频谱进行对比，理解截断误差形成的原因及减小误差的措施；最后是对加窗序列进行DFT 运算，得到加窗后序列)(n xw 的DFT 值，它是对)(n xw 数字连续频谱进行等间隔采样的采样值，通过对比，理解栅栏效应及DFT 点数对栅栏效应的影响。利用MATLAB 实现上述分析过程的程序如下： clc;close all;clear; %CTFT 程序，以x(t)=exp(-t) t>=0 为例 %利用数值运算计算并绘制连续信号波形 L=4, %定义信号波形显示时间长度 fs=4,T=1/fs; %定义采样频率和采样周期 t_num=linspace(0,L,100);%取若干时点,点数决定作图精度 xt_num=exp(-1*t_num);%计算信号在各时点的数值 subplot(3,2,1);plot(t_num,xt_num),%绘信号波形 xlabel('时间(秒)'),ylabel('x(t)'),%加标签 grid,title('(a) 信号时域波形'),%加网格和标题 %利用符号运算和数值运算计算连续信号幅度谱的理论值 syms t W %定义时间和角频率符号对象 xt=exp(-1*t)*heaviside(t),%连续信号解析式 XW=fourier(xt,t,W),%用完整调用格式计算其傅氏变换 %在0两边取若干归一化频点，点数决定作图精度 w1=[linspace(-0.5,0,50),linspace(0,1.5,150)];